《半导体传感器》PPT课件 (2)
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《半导体传感器》PPT课件
29
10.3 色敏传感器
10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 ◆半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极
二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构 原理及等效电路如图10-9所示。为了说明色敏传 感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机 理。
图10-9 半导体色敏传感器结构
30
10.3 色敏传感器
7
10.1 半导体气敏传感器
10.1.2 气敏传感器的种类
◆气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结 型、薄膜型、厚膜型。
1. 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在
金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧
结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结
型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200~
300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，
9
10.1 半导体气敏传感器
◆氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度。
第10章 半导体传感器
1 10.1 半导体气敏传感器 2 10.2 湿敏传感器 3 10.3 色敏传感器 4 10.4 半导体式传感器的应用
1
10.1 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成 分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用 最多的是半导体气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一 种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传 感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、 石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的 监测、预报和自动控制。
10.3 色敏传感器
10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 ◆半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极
二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构 原理及等效电路如图10-9所示。为了说明色敏传 感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机 理。
图10-9 半导体色敏传感器结构
30
10.3 色敏传感器
7
10.1 半导体气敏传感器
10.1.2 气敏传感器的种类
◆气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结 型、薄膜型、厚膜型。
1. 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在
金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧
结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结
型气敏元件，它的加热温度较低，一般在200~
300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，
9
10.1 半导体气敏传感器
◆氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度。
第10章 半导体传感器
1 10.1 半导体气敏传感器 2 10.2 湿敏传感器 3 10.3 色敏传感器 4 10.4 半导体式传感器的应用
1
10.1 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成 分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用 最多的是半导体气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一 种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传 感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、 石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的 监测、预报和自动控制。
44半导体集成温度传感器精品PPT课件
在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下 述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂 存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切 去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数 部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数 值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进 位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：
线性特性，对曲线分段校正，
T
线性双积分A/D转换的基本公
测 量
式为：
值
0
80ºC
TC标准值
测量误差曲线
100ºC
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问 题。
DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连 接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为 微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的 器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载 能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线 总线要求加一只5kΩ左右的上拉电阻。
４ DS1820温度检测系统原理
由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂 接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连 接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了 广泛应用。
89C51
P1.0
Tx P1.1
线性特性，对曲线分段校正，
T
线性双积分A/D转换的基本公
测 量
式为：
值
0
80ºC
TC标准值
测量误差曲线
100ºC
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问 题。
DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连 接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为 微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的 器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载 能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线 总线要求加一只5kΩ左右的上拉电阻。
４ DS1820温度检测系统原理
由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂 接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连 接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了 广泛应用。
89C51
P1.0
Tx P1.1
第六章 半导体传感器
2)伏安特性 ：――磁敏三极管的电流放大系数小于1且具有磁灵敏度。 图6-1-9磁敏三极管的伏安特性曲线
4、温度补偿电路
图6-1-10磁敏三极管的温度补偿电路
6.1.2 热敏管
一、热敏二极管
1．PN结的温度特性 1）正向电压U与正向电流ID的关系
qU
qU
ID IS (e kT 1) ISe kT
图6-1-6磁敏三极管的结构与符号
2、工作原理 当受到正向磁场(H+)作用时，集电极电流下降，
当受到反向磁场(H-)作用时，集电极电流增大， 磁敏三极管与磁敏二极管相比，灵敏度更高
图6-1-7磁敏三极管工作原理
3、主要特性 1)磁电特性 :那个时，在弱磁场作用是，曲线接近一条直线。
图6-1-8 3BCM的磁电特性
一、电流型集成温度传感器
1、核心电路原理
I0
2
Ube R1
2kT R1 q
ln
A2 A1
CIT
I00
CIt
CI一般为1µA／K或1µA /℃，为 273.2µA
2、常用型号：LM134、AD590、 AD592、TMP17等
图6-2-4 电流型集成温度传感器核心电路
二、电压型集成温度传感器
式中 k / q 0.0862mV / K T 273.2 t ， IS——反向饱和电流
2)正向电压与温度关系 ――若ID恒定（一般取10～50µA），则通常在0～250°温
度范围内PN结正向电压随温度的增加而线性减少。
U
U go
kT q
ln
B ID
U go
CT
U00
《半导体传感器》课件
应用领域
开拓新的应用领域，如医疗健康、环境监测、智能交 通和智能家居等，以满足不断增长的市场需求。
市场
加强国际合作与交流，推动传感器技术的国际市场拓展 ，提高国际竞争力。
THANKS
感谢观看
气体传感器
总结词
检测空气中的有害气体
详细描述
气体传感器利用半导体的气敏效应，能够检 测空气中的有害气体，如一氧化碳、二氧化 硫等。这些传感器在环境保护、工业安全等 领域有广泛应用。
紫外线传感器
总结词
监测紫外线的强度和照射时间
详细描述
紫外线传感器能够监测环境中紫外线的强度 和照射时间，对于预防紫外线辐射损伤和保 护皮肤健康具有重要意义。这些传感器广泛
敏感材料
敏感材料是半导体传感器的重要组成 部分，负责将待测物理量转换为电信 号。
选择敏感材料时需要考虑其稳定性、 灵敏度、响应速度和耐腐蚀性等性能 指标。
常见的敏感材料包括金属氧化物、硅 、陶瓷等，它们具有不同的特性，适 用于不同的应用场景。
敏感材料的制备方法包括化学气相沉 积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等， 这些方法能够控制材料的成分和结构 ，从而影响传感器的性能。
测试的目的是检测传感器的性能指标是 否达到设计要求，以及在不同条件下的 稳定性和可靠性。
03
半导体传感器的性能参数
线性范围与灵敏度
线性范围
衡量传感器输出与输入之间线性关系 的参数，即输入量在一定范围内变化 时，输出量与输入量成正比。
灵敏度
表示传感器输出变化量与输入变化量 之比，即单位输入变化引起的输出变 化量。
半导体传感器的主要应用领域
医疗领域
用于生理参数的监测，如体温、血压、血氧 饱和度等。
环保领域
开拓新的应用领域，如医疗健康、环境监测、智能交 通和智能家居等，以满足不断增长的市场需求。
市场
加强国际合作与交流，推动传感器技术的国际市场拓展 ，提高国际竞争力。
THANKS
感谢观看
气体传感器
总结词
检测空气中的有害气体
详细描述
气体传感器利用半导体的气敏效应，能够检 测空气中的有害气体，如一氧化碳、二氧化 硫等。这些传感器在环境保护、工业安全等 领域有广泛应用。
紫外线传感器
总结词
监测紫外线的强度和照射时间
详细描述
紫外线传感器能够监测环境中紫外线的强度 和照射时间，对于预防紫外线辐射损伤和保 护皮肤健康具有重要意义。这些传感器广泛
敏感材料
敏感材料是半导体传感器的重要组成 部分，负责将待测物理量转换为电信 号。
选择敏感材料时需要考虑其稳定性、 灵敏度、响应速度和耐腐蚀性等性能 指标。
常见的敏感材料包括金属氧化物、硅 、陶瓷等，它们具有不同的特性，适 用于不同的应用场景。
敏感材料的制备方法包括化学气相沉 积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等， 这些方法能够控制材料的成分和结构 ，从而影响传感器的性能。
测试的目的是检测传感器的性能指标是 否达到设计要求，以及在不同条件下的 稳定性和可靠性。
03
半导体传感器的性能参数
线性范围与灵敏度
线性范围
衡量传感器输出与输入之间线性关系 的参数，即输入量在一定范围内变化 时，输出量与输入量成正比。
灵敏度
表示传感器输出变化量与输入变化量 之比，即单位输入变化引起的输出变 化量。
半导体传感器的主要应用领域
医疗领域
用于生理参数的监测，如体温、血压、血氧 饱和度等。
环保领域
第9章 半导体式传感器(《传感器基础》课件)
第9章 半导体式传感器 章
按照半导体与气体相互作用时产生的变 化只限于半导体表面或深入到半导体内部， 又可分为表面电阻控制型 体电阻控制型 表面电阻控制型和体电阻控制型 表面电阻控制型 体电阻控制型。
第9章 半导体式传感器 章
9.1.2 电阻型半导体气敏传感器
1. 材料和结构
因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化 物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因 此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导 体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经 用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半 导体气敏元件中，用氧化锡(SnO2)制成的元件具有结构 简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等 一系列优点，应用最为广泛。 半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、 半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、 加热器和外壳。 加热器和外壳。
第9章 半导体式传感器 章
被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使N型半 导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。 如果被测气体为还原性气体(如H2、CO、酒精 等)，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中 载流子电子增多，因而电阻值下降。 图所示为典型气敏元件的阻值－浓度关系。 图所示为典型气敏元件的阻值－浓度关系。
气敏传感器的性能必须满足下列条件： 气敏传感器的性能必须满足下列条件
(1) 能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体 的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出 报警、显示和控制信号。 (2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 (3) 性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、 响应迅速。 (4) 使用、维护方便，价格便宜等。
第9章 半导体式传感器 章
9.1.1 半导体气敏传感器的分类 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷 材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶 半导体器件制作的气敏传感器，分类如表9-1所 9-1 示。 按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型 电阻型 和非电阻型 非电阻型两类。前者是利用敏感元件吸附气体 非电阻型 后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的 浓度或成分；后者是利用二极管伏安特性和场效 应管的阈值电压变化来检测被测气体。
常用半导体传感器PPT课件
KI = KH B → UH = KI I （线性）
KH↑ → KI ↑
KI ↑ 、 I ↑ → UH ↑
.
7
RHIB L UH= d fH(l )
S/L<0.1
.
8
六、材料及结构特点
一般采用以下半导体单晶材料制成：
N型锗、砷化铟、锑化铟
线形度好 受温度影响比锑化铟小
输出没有锑化铟大
输出大 受温度影响大
n为单位体积内自由电子数
霍尔常数, 由半导体材料决定
则： UH= RH I B/ d
取 KH= RH / d 则： UH= KH I B
.
2
UH = KH I B
霍尔电势的大小正比于控制电流I 和磁感应强度B的乘积。KH称为霍尔元 件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强 度和单位控制电流时输出霍尔电压大小 的重要参数
建立霍尔效应的时间很短：10-2～ 10-14ｓ 控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）
.
4
接触要求：欧姆接触（无PN结） 老式：焊接 新方法：离子注入工艺
溅射工艺 霍尔元件外形及结构： 尺寸：4mm × 2mm × 0.1mm
2 14 3
.
5
三、基本电路 控制电流由E供给 RP为调节电阻 Rf为负载电阻
静电场产生反力： FE=- e EU = - e UH /b 平衡时： FL= FE ， - ev B= - e UH /b
b为霍尔元件 的宽度
I
UH= bvB 为控制电流： I=
dQ/
dt
=
b
d
v
n(
-
d为霍尔元件的厚度
e)
b v = I / [d n( - e)]
现代检测技术 半导体式传感器-PPT精品文档
10.1.3基本误差及其补偿
如果确知控制电流极偏离等位面的方向，就可以 采用补偿的方法来减小不等位电势。常用的几种补偿 电路如图
10.1.3基本误差及其补偿
②寄生直流电动势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触， 在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效 应。因此。当元件通以交流控制电流 (不加磁场)时， 它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电 动势分量，这电动势就称为寄生直流电动势。寄生 直流电动势与工作电流有关，随工作电流减小而减 小。
第10章 半导体传感器
虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感 器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断 发展，半导体传感器的技术也日臻完善。 从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传 感器都属于半导体式传感器，如霍尔元件、光敏、磁敏、 二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气 敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。
10.1霍尔式传感器
10.1.1霍尔效应
半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在 薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，那么， 在垂直于电流和磁场方向上(即霍尔输出端之间)将产 生电动势(霍尔电动势或称霍尔电压)，这种现象称为 霍尔效应。
10.1霍尔式传感器
图10-1 霍尔效应原理图
10.1 霍尔效应原理图
10.1霍尔式传感器
在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场，相 应的电动势就称为霍尔电势，其大小可用下式表示：
U bE H H
10.1霍尔式传感器
流过基片的电流常称为激励电流或控制电流， 假设它分布均匀，则有 I nqvbd
将上述公式进行合并整理得
RH IB UH d
10.1霍尔式传感器
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表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产
生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把I与B的乘积、或者 I，或者 B作为输入2信．号连，接则方式霍尔元件的输出电势分别正比于IB或 I 或B。
为了获得较大的霍尔输出电势，可以 采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直 流供电，控制电流端并联输出串联。下图 (b)为交流供电，控制电流端串联变压器 叠加输出。
为
UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10-3kGs＝25μV
最大输出电势为
UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10kGs＝250mV
故要选择低噪声、低漂移的放大器作为前级放大。当霍尔元件作开
关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。例如，KH＝20mV/mA·kGs，
如果控制电流为2mA，施加一个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为
3．霍尔电势的输出电路
霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般 在级毫，伏实量际使用中必须加差 分放大器。霍尔元件大体
分为线性测量和开关状态
两种使用方式，因此，输
出电路有如右图所示两种
结构。当霍尔元件作线性
测量时，最好选用灵敏度
低一点、不平衡电势U0小、 稳尔线定元性性件测和。例量线如元性，件度选测优用量良K1HG的＝s～霍5m1V0/kmGAs·的k磁Gs场，，控则制霍电尔流器为件5m最A的低霍输尔出元电件势作UH
因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面 上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，A、 B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡
2．输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻 值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的 电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。 3．不平衡电势U0 在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的
空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和
霍尔效应是
导体中自由电荷受洛仑 兹力作用而产生的。设 霍尔元件为N型半导体，
UH I
I
当它通以电流 I 时，
半导体中的电子受到磁
场中洛仑兹力FL的作用，
其大小为
式中υ为电子速度，B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在FL 的作用下，电子向垂直于B和υ的方向偏移，在器件的某一端积聚
负电荷，另一端面则为正电荷积聚。
第3章 半导体传感器
3.1 磁敏式传感器
阻(InSb，InAs)；后者有磁敏二极管(Ge,Si)、磁敏晶体 管(Si)。磁敏传感器的应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。 例如利用霍尔传感器测量磁场强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作 无接触式开关等。
3.1.1 霍尔传感器
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器， 有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的 霍尔元件。由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、 体积小和耐高温等特件应用于非电量测量、自动控制、计算机装 置和现代军事技术等各个领域。
流为 I 时dt ，
式中bd为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数
(载流子浓度)。则 IB
U H ned
3．霍尔系数及灵敏度
1 令 RH ne
则
UH
RH
IB d
霍尔电势
IB UH ned
1 ne
1 d
IB
1 ne d
IB
RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓
四、霍尔元件的测量误差和补偿方法 霍尔元件在实际应用时,存在多种因素影响其测量精度,
造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；另一 类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误 差。
1．零位误差及补偿方法 零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场时，而
出现的霍尔电势称为零位误差。不平衡电势U0是主要的零位误差。
位为1／℃。一般取不同温度时的平均值。
6．灵敏度KH
其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某 一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。
三、霍尔元件连接方式和输出电路 1．基本测量电路
控制电流 I 由电源E供给，电位器W调节控制电流I的大小。 霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪
度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。
令
KH
RH d
则 U H K H IB
KH为霍尔元件的灵敏度。
由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍 尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵
敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度 d 与 KH成反比。
电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作
用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为
式中EH为霍尔电场，e 为电子电量，UH为霍尔 电势。当FL = FE时，
电子的积累达到动平衡， 即 eB e U H
b
UH I
I
所 U H bB 以 。设流I 过dQ霍尔bd元 n件(的e)电
二、霍尔元件的主要技术参数
1．额定功耗P0 霍尔元件在环境温度T＝25℃时，允许通过霍尔元件的 控制电流 I 和工作电压 V 的乘积即为额定功耗。一般可分为最
小、典型、最大三档，单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，
根据额定功耗可以知道额定控制电流 I 。有些产品提供额定控
制电流和电压，不给出额定功耗。
额定控制电流 I 之比为不平衡电阻r0。 4．霍尔电势温度系数α
在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，
霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。
5．内阻温度系数β
霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，
输入电阻只Ri与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数β，单
1．霍尔效应
长为L、宽为b、厚为d 的导体（或半导体）薄片，被置于
磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交
的两边通以控制电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制
电流 I 和磁感应强度 B乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH
为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为霍尔效应,该电势称为霍尔电 势,半导体薄2 片．就工是作霍原尔元件。 理
生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把I与B的乘积、或者 I，或者 B作为输入2信．号连，接则方式霍尔元件的输出电势分别正比于IB或 I 或B。
为了获得较大的霍尔输出电势，可以 采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直 流供电，控制电流端并联输出串联。下图 (b)为交流供电，控制电流端串联变压器 叠加输出。
为
UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10-3kGs＝25μV
最大输出电势为
UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10kGs＝250mV
故要选择低噪声、低漂移的放大器作为前级放大。当霍尔元件作开
关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。例如，KH＝20mV/mA·kGs，
如果控制电流为2mA，施加一个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为
3．霍尔电势的输出电路
霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般 在级毫，伏实量际使用中必须加差 分放大器。霍尔元件大体
分为线性测量和开关状态
两种使用方式，因此，输
出电路有如右图所示两种
结构。当霍尔元件作线性
测量时，最好选用灵敏度
低一点、不平衡电势U0小、 稳尔线定元性性件测和。例量线如元性，件度选测优用量良K1HG的＝s～霍5m1V0/kmGAs·的k磁Gs场，，控则制霍电尔流器为件5m最A的低霍输尔出元电件势作UH
因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面 上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，A、 B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡
2．输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻 值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的 电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。 3．不平衡电势U0 在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的
空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和
霍尔效应是
导体中自由电荷受洛仑 兹力作用而产生的。设 霍尔元件为N型半导体，
UH I
I
当它通以电流 I 时，
半导体中的电子受到磁
场中洛仑兹力FL的作用，
其大小为
式中υ为电子速度，B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在FL 的作用下，电子向垂直于B和υ的方向偏移，在器件的某一端积聚
负电荷，另一端面则为正电荷积聚。
第3章 半导体传感器
3.1 磁敏式传感器
阻(InSb，InAs)；后者有磁敏二极管(Ge,Si)、磁敏晶体 管(Si)。磁敏传感器的应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。 例如利用霍尔传感器测量磁场强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作 无接触式开关等。
3.1.1 霍尔传感器
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器， 有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的 霍尔元件。由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、 体积小和耐高温等特件应用于非电量测量、自动控制、计算机装 置和现代军事技术等各个领域。
流为 I 时dt ，
式中bd为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数
(载流子浓度)。则 IB
U H ned
3．霍尔系数及灵敏度
1 令 RH ne
则
UH
RH
IB d
霍尔电势
IB UH ned
1 ne
1 d
IB
1 ne d
IB
RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓
四、霍尔元件的测量误差和补偿方法 霍尔元件在实际应用时,存在多种因素影响其测量精度,
造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；另一 类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误 差。
1．零位误差及补偿方法 零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场时，而
出现的霍尔电势称为零位误差。不平衡电势U0是主要的零位误差。
位为1／℃。一般取不同温度时的平均值。
6．灵敏度KH
其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某 一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。
三、霍尔元件连接方式和输出电路 1．基本测量电路
控制电流 I 由电源E供给，电位器W调节控制电流I的大小。 霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪
度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。
令
KH
RH d
则 U H K H IB
KH为霍尔元件的灵敏度。
由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍 尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵
敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度 d 与 KH成反比。
电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作
用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为
式中EH为霍尔电场，e 为电子电量，UH为霍尔 电势。当FL = FE时，
电子的积累达到动平衡， 即 eB e U H
b
UH I
I
所 U H bB 以 。设流I 过dQ霍尔bd元 n件(的e)电
二、霍尔元件的主要技术参数
1．额定功耗P0 霍尔元件在环境温度T＝25℃时，允许通过霍尔元件的 控制电流 I 和工作电压 V 的乘积即为额定功耗。一般可分为最
小、典型、最大三档，单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，
根据额定功耗可以知道额定控制电流 I 。有些产品提供额定控
制电流和电压，不给出额定功耗。
额定控制电流 I 之比为不平衡电阻r0。 4．霍尔电势温度系数α
在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，
霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。
5．内阻温度系数β
霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，
输入电阻只Ri与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数β，单
1．霍尔效应
长为L、宽为b、厚为d 的导体（或半导体）薄片，被置于
磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交
的两边通以控制电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制
电流 I 和磁感应强度 B乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH
为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为霍尔效应,该电势称为霍尔电 势,半导体薄2 片．就工是作霍原尔元件。 理